船舶舵機構模擬訓練器設計與實現?

沈 軍 聶 偉 謝小平

（鎮江船艇學院動力指揮系 鎮江 212001）

船舶舵機構模擬訓練器設計與實現?

沈 軍 聶 偉 謝小平

（鎮江船艇學院動力指揮系 鎮江 212001）

論文闡述了一種船舶舵機構模擬訓練器的結構組成與設計原理，通過該模擬器可以針對一些特殊情況展開模擬訓練。該模擬器基于SimuEngine仿真平臺開發，建立了船舶舵機構運行仿真模型。仿真計算機通過PLC采集操控盤臺上的按鈕、開關等變量的值，并將這些變量的值傳輸到SimuEngine中進行仿真計算，計算的結果存儲到OPC Server中并且利用這些結果的值來驅動EON Studio中的視景模型，達到模擬訓練的目的。該模擬器在教學使用中已獲得較好的效果。

舵機構；SimuEngine；EON；OPC

1 引言

船舶舵機構在船舶航行時起到控制航向、保證船舶安全運行的重要作用，掌握好船舶舵機構的使用、操作以及維護對于學員適應任職崗位具有較大的幫助。船舶舵機構的操作使用、結構展示、維護管理等方面的教學在狹小的舵機艙內難以開展實施，所以船舶舵機構模擬器的研制，為船舶舵的教學提供了全新的方法。

該訓練模擬器采用虛擬現實仿真技術，使受訓者既能夠形象生動的了解船舶舵的結構、工作原理和拆裝維修，并且可以通過操控盤臺上的開關、按鈕等控制EON Studio中的虛擬模型，進行船舶舵機構的模擬操作訓練。在仿真平臺SimuEngine中建立船舶舵機構運行的數學仿真模型，通過PLC采集開關、按鈕等硬件變量的值，在組態軟件KingView中建立OPC Server站點，PLC采集到的變量值存儲到OPC Server中，SimuEngine同OPC Server建立連接，直接讀取站點中變量的值并進行計算，計算的結果（如舵的角度、舵機工作電流等變量的值）也存儲在OPCServer中。VC通過OPC控件讀取OPC Server中所需要的變量的值，然后通過EON Studio自帶的EonX控件將值傳入到EON Studio中來驅動視景模型，達到模擬操作訓練的效果。同時，在虛擬模型中還可以通過拆裝來展示舵系統的結構組成及工作原理。該系統的結構框架如圖1所示，該系統主要由三大部分組成：第一部分為數據采集模塊，主要包括操控盤臺上的I∕O設備（燈、開關、指示儀表燈硬件）、PLC以及仿真計算機；第二部分為SimuEngine建模仿真模塊；第三部分為人機交互系統，包括聲音模擬系統、基于OPC數據采集與存儲系統以及EON視景驅動模塊，本文著重介紹其中的EON視景驅動模塊。

圖1 模擬器系統結構框架圖

2 數據采集模塊

該模擬器采用盤臺式結構，在操控盤臺上布置有開關、按鈕、工作電表等硬件，計算機網絡系統采用TCP∕IP協議，將仿真計算機、操控盤臺和PLC接口連接在同一級以太網內，PLC的I∕O接口模塊連接至操控盤臺I∕O設備。仿真計算機同時運行kingview6.5和SimuEngine仿真支撐平臺。kingview6.5可設置I∕O變量，并將其映射到PLC相應內存地址以實現與控制臺開關、儀表、指示燈等硬件設備的通信，同時通過OPC實現與SimuEngine仿真支撐平臺的數據交互。由于PLC從硬件到軟件，從設計到制造都考慮到了抗干擾的問題，采用各種措施切斷或阻塞了干擾源，大大提高了整個訓練系統的抗干擾能力，同時也增強了系統的可靠性和可擴展性。在確定每個PLC將要負責的變量類型和數量后，根據需要來組裝PLC。PLC的I∕O單元是連接CPU與現場I∕O設備的橋梁。I∕O模塊包括：開關量輸入、開關量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出。每個I∕O模塊在機架上的位置確定好之后其單元號也隨之確定。PLC會根據單元號為其在工作數據存儲器中的核心I∕O區分配相應的地址用于保存數據［1～2］。

3 SimuEngine建模仿真模塊

SimuEngine是為大型科學計算、復雜系統動態特性建模研究、過程仿真培訓、系統優化設計與調試、故障診斷與專家系統等，提供通用的、一體化的、全過程支撐的，基于微機環境的開發與運行支撐平臺。軟件采用了動態內存機器碼生成技術、分布式實時數據庫技術和面向對象的圖形化建模方法，在仿真領域處于國內領先水平。

該模擬器仿真的舵機具有兩種控制方式，機旁控制和駕駛臺控制。通過操作控制機構來控制電機的運轉，再由電機驅動液壓油泵工作，采用液壓油泵來驅動舵的控制，舵機液壓系統的壓力和舵角、船速、舵葉型式、舵葉吃水、轉舵機構的型式、正倒航以及轉舵機構的排量等因素有關。該模擬器應用于教學訓練，能夠真實的模擬實際舵機構的操作、控制與運動，所以采用SimuEngine仿真平臺，利用Fortran語言進行舵機構運動數學模型的計算［3～4］。此外，SimuEngine仿真支撐平臺具有故障設置和管理功能，通過添加故障變量，實現典型故障模擬，可開展故障分析及處置訓練［3，6］。模塊間的數據流動通過與公用變量數據庫的交互實現。模塊化建模方法可降低建模的復雜性，縮短建模時間，增加模型的通用性［7～8］。

通過將數學模型適當的簡化和設置假設條件，用數學形式表示船舶舵操作裝置的控制、特性和狀態參數之間的關系，構建符合其運行機理和控制邏輯的數學模型［9］。為了方便數學模型的建立，將數學模型分為以下4個子模塊：能量消耗計算模塊、舵及轉舵機構運動仿真模塊、操作控制模塊、液壓系統壓力仿真及監控模塊（見圖1），其中，能量消耗計算模塊用于模擬舵系統工作時電能的消耗，液壓系統壓力仿真能夠較為真實的模擬液壓系統壓力與各個影響因素之間的關系。

4 EON虛擬模型驅動模塊

船舶舵機構是用于維持或改變航向和保障船舶操縱的機動性的重要裝置，主要由舵桿、舵葉舵、轉葉式轉舵機構、操縱系統、液壓系統組成，轉舵機構包括轉子和定子，舵桿通過鍵與轉子連接固定，液壓系統驅動轉子轉動，帶動舵葉偏轉實現轉舵。建立的數學模型能夠真實的模擬舵機構的操作、控制及運動，為了讓舵機構的運動在顯示器上更逼真的呈現出來，需要建立船舶舵機構的虛擬視景模型。

使用3DSMAX建模軟件，建立舵系統三維模型，并對其進行優化。在保證模型視覺效果的前提下盡量減少模型的面片數，使模型的網格分布更加合理。進行優化處理后能夠很好的提高渲染速度以及在EON Studio中的處理速度。然后在3DSMAX中完成材質和貼圖的設置，最后將模型生成3ds文件，導入到EON Studio中進行交互設置［10～11］。

將模型導入到EON Studio中之后，要實現對虛擬模型的驅動，步驟如下：

1）從OPC Server中獲取所需變量的值。

（1）在仿真計算機上安裝OPC控件。

文中系統安裝的是支持OPC的ActiveX工控儀表控件Iocomp，安裝完成后要對控件進行注冊。

（2）設置iEditX控件。

加入iEditX控件后，對iEditX控件的屬性進行設置，使其與要獲取的變量相對應。以舵角為例，要驅動舵角指示器指針的運轉，就必須先獲取舵角的數值。打開iEditX控件屬性欄，對其進行如下設置，如圖2所示：選擇其中的OPC選項，選擇添加value選項，然后選擇對應的OPC Server中的字段Item，這樣就可以獲取到舵角的值。

圖2 OPC控件屬性設置圖

2）利用獲取的變量的值驅動虛擬模型的運動。

（1）注冊EonX控件。要驅動EON Studio中的虛擬模型，必須調用EON Studio中自帶的ActiveX控件EonX，使用前先調用regsvr32命令對控件進行注冊［12～13］。

（2）添加與該控件相關聯的變量m_EonX1。

（3）調用如下代碼將舵機的視景文件載入到程序中（其中DuoJi.eoz為EON Studio編輯產生的舵機視景仿真文件）。

m_EonX1.SetSimulationFile(quot;DuoJi.eozquot;);

m_EonX1.Start();

（4）在Eon Studio中設置相對應的變量輸入輸出節點。在舵腳指針節點下放置一個Place節點來設置指針的運動，放入如圖3所示的節點，并進行連線設置。

（5）在VC程序的定時器中添加如下代碼來驅動指針的轉動：

float JiaoDu=atof(m_editx10.GetValue());

COleVariant varH;

varH.vt=VT_R4;∕確定 var的類型

varH.fltVal=JiaoDu*3.28∕1000.0;∕∕

m_EonX1.SendEvent(quot;DuoJHquot;,amp;varH);∕將 舵 角值轉 換 成轉

動角度付給H軸

m_EonX1.SendEvent(quot;DuoJPquot;,amp;varF);∕P軸方向不轉動

m_EonX1.SendEvent(quot;DuoJRquot;,amp;varF);∕R軸方向不轉動

m_EonX1.SendEvent(quot;DuoStartquot;,amp;varM);∕觸發指針轉動

這樣就可以通過舵角指針的轉動來實時顯示舵轉動的角度［14］。

圖3 Eon Studio中舵角指針運動節點連線圖

要實現對指示燈的模擬顯示，跟上述舵角指針的生成方式相同，區別只是在Eon Studio中節點的設置方式以及VC中的代碼有所不同。在指示燈對應的節點下添加一個Colors節點和一個material節點，其節點之間的關系如圖4所示［15］，此處不再贅述。舵機構模擬器在EON Studio中的視景顯示如圖5所示。

圖4 Eon Studio指示燈節點連線圖

圖5 舵機視景顯示圖

5 結語

通過對該模擬器研制，嘗試了一種新的方法，即將兩種仿真平臺結合起來使用，充分發揮了各自的優勢。在SimuEngine中完成舵機構的數學模型的建立，在Eon Studio完成舵機視景的仿真，通過OPC接口實現兩個仿真平臺的數據交換，在SimuEngine中計算完成的結果可以傳輸到Eon Studio中來實現對虛擬模型的驅動，再結合PLC采集的硬件變量，達到既能實現對舵機的操作進行模擬訓練、又能通過三維模型更直觀地了解舵機的結構組成和工作原理的教學目的，對于學員全面掌握舵機構的使用和維護具有較大的意義。

［1］鄧潔清，袁宇波.基于PLC模塊的變電站自動化測試仿真系統的實現及應用［J］.電力系統保護與控制，2009，37（24）：157-160.

［2］詹國兵，詹禮琛.基于S7-200PLC全自動RO純水機的優化設計及應用［J］.工業控制計算機，2015，28（4）：141-143.

［3］張錦，聶偉等.基于SimuEngine的船艇主機系統仿真研究［J］.軍事交通學院學報，2015（7）：45-48.

［4］張剛，曹福毅等.垃圾焚燒發電機組仿真系統的設計與實現［J］.沈陽工程學院學報（自然科學版）：2013，9（2）：97-100.

［5］劉歡，丘中，侯歡歡.基于Simuworks軟件工業鍋爐仿真［J］.河南科技，2014，19：133-135.

［6］楊占錄，張國慶，徐杭田.艦船動力系統訓練模擬器的研究與實現［J］.微計算機信息，2009，25（22）：162-164.

［7］張紹麒，聶偉等.一種船舶消防報警模擬器的設計與實現［J］.南通航運職業技術學院學報，2016，15（22）：57-60.

［8］王希波，班孝東等.大小渦輪三級相繼增壓系統匹配規律研究［J］.山東交通學院學報，2010，18（3）：1-6.

［9］薛定宇，陳陽泉.基于Matlab∕Simulink的系統仿真技術與應用［M］.北京：清華大學出版社，2002：87-96.

［10］劉誠，付宜利.基于EON的交互式虛擬裝配仿真系統的設計與實現［J］.東北林業大學學報，2009，37（8）：109-111.

［11］于輝，趙經成等.EON入門與高級應用技巧［M］.北京：國防工業出版社，2008：46-52.

［12］沈軍，陳鋒等.某型船用空壓機虛擬拆裝系統關鍵技術研究［J］.船舶工程，2015增刊1：217-219.

［13］李金華，姚芳萍，張德強.基于Eon Studio的模具拆裝虛擬實驗系統研究與開發［J］.制造業自動化，2013，35（8）：3-5.

［14］朱波，楊燕華等.基于EON的核設施VR特征技建模技術研究［J］.系統仿真學報，2009，21（18）：47-52.

［15］文領，閻兵，張宇等.基于Eon Studio的機械臂運動仿真［J］.煤礦機械，2013，34（3）：77-79.

Design and Realization of the Marine Rudder System Simulator

SHEN Jun NIE WeiXIE Xiaoping
（Power Command Department，Zhenjiang Watercraft College，Zhenjiang 212001）

The structure and design principle of a marine rudder system simulator has been described in this paper，training for special cases could be realized by this simulator.The simulation model of the marine rudder system has been established based on the simulation platform SimuEngine.Simulation computer collected the values of switch variables and button variables by the PLC，the collected values was transferred to the SimuEngine for simulation calculation.The result of simulation calculation was stored in the OPC Server and drived the viusl model in the EON Studio，the simulation training would be realised by this way.This simulator has

a good results in the teaching.

rudder mechanism，simuengine，EON，OPC

TP391.9；U664

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.025

Class Number TP391.9；U664

2017年5月8日，

2017年6月11日

沈軍，男，碩士，研究方向：船艇動力工程和虛擬仿真。聶偉，男，博士，研究方向：船艇柴油機維修和虛擬仿真。謝小平，男，碩士，研究方向：船艇柴油機維修、故障診斷。